Soğuk Şekillendirme Yoluyla Mukavemet Artışı

Soğuk işlem malzemeye plastik şekil verme yöntemleri ile uygulanır. Plastik şekillendirme hem dislokasyonların hareketini sağlar, hem de yeni dislokasyonların oluşumuna sebep olur. Soğuk işlem sonunda mukavemet artması deformasyon sertleşmesi nedeniyledir. Deformasyon sertleşmesi, dislokasyonların birbirleri ile ve dislokasyonların hareketini zorlaştıran çeşitli engeller ile etkileşimi sonucunda olur.

33

Soğuk işlem ile malzeme mukavemetindeki artış soğuk işlem miktarı ile orantılıdır. Tavlanmış bir malzemede dislokasyon yoğunluğu 106 – 108adet/cm-2 civarındadır. Fazla miktarda soğuk işlem görmüş bir malzemede ise dislokasyon yoğunluğu yaklaşık olarak 1012 adet/cm-2değerine ulaşmıştır (Kayalı ve Ensari, 2000).

Soğuk işlem sonucunda malzemenin taneleri uzar ve belirli kristolografik doğrultuda yönlenirler. Tanelerde dislokasyon yoğunluğunun artması yanında birçok atom boşluğu da meydana gelir, aynı zamanda malzemenin yoğunluğunda bir miktar azalma meydana gelir (Kayalı ve Ensari, 2000).

Şekil 3.1 : (a) Soğuk deformasyon öncesi, (b) Soğuk deformasyon sonrası mikroyapılar (Ün, 2007).

Soğuk işlem sonucunda malzeme yapısında meydana gelen dislokasyon yoğunluğunun malzemenin mukavemetine etkisi aşağıdaki bağıntıyla hesaplanır.

σp = σi + αGbρ1/2 (3.1)

Burada;

σp: Plastik deformasyon gerilmesi σi: Sürtünme gerilmesi

G: Kayma elastiklik modülü b: Burgers vektörü

ρ : Dislokasyon yoğunluğu

α : Bir sabit (genellikle 0,3 ile 0,6 arasındadır)

Soğuk işlem sonucunda sarf edilen enerjinin bir kısmı dislokasyon enerjisine çevrilir, bir kısmı ise ısı halinde kaybolur. Böylece enerjinin büyük bir kısmı dislokasyon enerjisi halinde malzeme içinde depo edilmiş olur. Soğuk işlemde deformasyon miktarına bağlı olarak malzemenin mekanik özelliklerindeki değişim şekilde görülmektedir (Kayalı ve Ensari, 2000).

34

Şekil 3.2’de görüldüğü gibi, soğuk deformasyon sonucunda malzemelerin sertlik ve mukavemeti artarken, süneklik ve elektriksel iletkenliği azalır, tane büyüklüğü ise pek değişmez. Söz konusu değişimler, malzemenin kafes ve tane yapılarında meydana gelen çarpılmalardan kaynaklanır. Çarpılma, dislokasyon hareketini zorlaştırdığı için malzemenin sertlik ve mukavemetinin artmasına, elektron hareketini zorlaştırdığı için de elektriksel iletkenliğin azalmasına neden olur.

Şekil 3.2 : Soğuk işlem oranının mekanik özelliklere etkisi (Savaşkan, 2004). Metalik malzemelerde soğuk işlem miktarı sınırlıdır. Çünkü belirli bir soğuk işlem miktarında malzemenin sünekliği sıfıra iner. Soğuk işlem sırasında atom boşluklarının meydana gelmesi ve bunların yoğunlaşması soğuk işlem miktarı arttıkça artması malzemede çatlaklara sebep olur. Çatlak oluşumunu önlemek ve soğuk işlemle azalan sünekliği arttırmak amacıyla malzeme soğuk işlem sırasında zaman zaman tavlanır (Kayalı ve Ensari, 2000).

Tavlama ile yüksek sıcaklıkta bir süre tutulan malzemenin soğuk işlem yapısı bozulur. Malzeme yapısının değişimini toparlanma, yeniden kristalleşme ve tane büyümesi olmak üzere başlıca üç safhada incelemek mümkündür.

3.3.1 Toparlanma

Bu safhada soğuk işlenmiş malzemelerdeki dislokasyonlar yeni bir düzene girerler. Bu düzen dislokasyonların daha düşük enerjiye sahip oldukları durum olup, poligonizasyon olarak isimlendirilir. Poligonizasyon durumunda dislokasyonlar küçük açılı sınırlar meydana getiriler. Küçük açılı bir sınır, kenar dislokasyonları

35

tarafından oluşturulmuşsa eğim sınırı, vida dislokasyonları tarafından oluşturulmuşsa büküm sınırı olarak isimlendirilir. Böylece dislokasyonlar yapıda alt taneler meydana getirmiş olur. Şekil 3.3’te soğuk işlem sonrası toparlanmanın mekanik özelliklere ve mikroyapıya etkisi görülmektedir. Toparlanma safhasında malzemenin mukavemet ve sertliğinde önemli bir değişim olmaz. Bu safhada malzemenin elektrik iletkenliği artar, x-ışınları ile ölçülen iç gerilme ve latis distorsiyonunda azalma olur. Bu özellikler malzeme yapısındaki nokta hatalarına bağlı özelliklerdir.

3.3.2 Yeniden kristalleşme

Bu safhada dislokasyon içeren toparlanmış taneler kaybolur ve yerine yeni taneler çekirdeklenir. Çekirdeklenme genellikle hatalı bölgelerde, tane sınırlarında meydana gelir. Toparlanmış tanelerdeki dislokasyonlar yeni oluşan tanelerin sınırlarına kaçarlar. Böylece içlerinde dislokasyon miktarı çok az olan veya dislokasyon bulunmayan küçük yeni taneler oluşur ki bu yapıya yeniden kristalleşmiş yapı adı verilir. Yeniden kristalleşmiş yapıda soğuk işlemin etkisi tamamen giderildiği için uygulamada önemi çok büyüktür. Yeniden kristalleşme ile malzemenin mukavemet ve sertliğinde önemli ölçüde azalma, sünekliğinde ise artma olur. Yeniden kristalleşme ile dislokasyon yoğunluğu da önemli ölçüde azalmıştır ve deformasyon sertleşmesinin etkisi tamamen giderilmiştir (Kayalı ve Ensari, 2000).

Yeniden kristalleşme sıcaklığı, malzemenin pratik olarak bir saat içinde % 50’sinin yeniden kristalleştiği sıcaklıktır ve yaklaşık olarak malzemenin ergime sıcaklığının 1/3’ü ile 1/2’si arasındadır. Malzemelerin yeniden kristalleşme sıcaklığı sabit olmayıp soğuk işlem miktarı, kimyasal bileşim, ilk tane boyutu, tav süresi ve malzemenin ergime sıcaklığı gibi çeşitli faktörlere bağlıdır. Şekil 3.3’te soğuk işlem sonrası yeniden kristalleşmenin mekanik özelliklere ve mikroyapıya etkisi görülmektedir (Kayalı ve Ensari, 2000).

3.3.3 Tane büyüklüğü

Yeniden kristalleşen taneler, tavlama sıcaklığında uzun süre tutulursa veya yeniden kristalleşme sıcaklığının üstündeki sıcaklıklarda tavlanırsa yayınma ile zamanla büyürler. Tanelerin büyümesi, tavlama süresi ve sıcaklığa bağlıdır. Şekil 3.3’te soğuk işlem sonrası tane büyümesinin mekanik özelliklere ve mikroyapıya etkisi görülmektedir (Kayalı ve Ensari, 2000).

36

Şekil 3.3 : Soğuk işlem oranının ve soğuk işlemden sonraki tavlama sıcaklığının mekanik özellik ve mikroyapıya etkisi, (a) Soğuk işlem görmüş, (b) Toparlanma sonrası, (c) Yeniden kristalleşme sonrası ve (d) Tane büyümesi sonrası.

Malzeme yapısında küçük ikinci faz tanelerin bulunması tane sınırlarının hareketini kısıtlar, dolayısı ile tane büyümesini geciktirir. Tane büyümesi ile malzemenin mukavemet ve sertliğinde azalma olur (Savaşkan, 2004; Kayalı ve Ensari, 2000).